Reaktywne formy tlenu w oddziaływaniach allelopatycznych

• Authors: Urszula Krasuska , Paweł Staszek , Anna Antosik , Agnieszka Gniazdowska

Title variants

EN

Reactive oxygen species in allelopathic interactions between plants

• Languages of publication: PL EN

Abstracts

PL

Allelopatia dotyczy oddziaływań pomiędzy roślinami za pośrednictwem związków chemicznych wydzielanych do środowiska. Efekty działania związków allelopatycznych w roślinach są najczęściej negatywne (zahamowanie kiełkowania nasion, ograniczenie wzrostu korzeni i/lub pędu), szczególnie gdy toksyny występują w wysokich stężeniach. Niekiedy obserwuje się też zjawisko hormezy (stymulacji kiełkowania nasion lub wzrostu organów), gdy zawartość allelozwiązków w otoczeniu jest bardzo niska. Obecność allelozwiązków wielokrotnie wywołuje w roślinach stres oksydacyjny, manifestujący się wzrostem stężenia reaktywnych form tlenu (ROS). Nie zawsze wzrost stężenia ROS w roślinach traktowanych związkami allelopatycznymi jest skorelowany ze wzrostem aktywności systemu oksydacyjnego, chociaż w ogromnej większości przypadków obserwowane są istotne zmiany aktywności podstawowych enzymów modulujących stężenie ROS (katalazy, dysmutazy ponadtlenkowej czy enzymów cyklu Halliwella-Asady), czemu towarzyszą też modyfikacje zawartości przeciwutleniaczy drobnocząsteczkowych (glutationu i askorbinianu). Z uwagi na różnorodną naturę, różne stężenia stosowanych allelozwiązków i różną wrażliwość roślin trudno jest jednoznacznie wyrokować, że zawsze i każdy związek allelopatyczny indukuje stres oksydacyjny, chociaż taka możliwość jest prawdopodobna i często spotykana. W pracy przedstawiono szereg przykładów indukcji stresu oksydacyjnego w roślinach poddanych działaniu związków allelopatycznych. Nagromadzanie ROS w komórkach i modyfikacje wzrostu roślin akceptorowych w odpowiedzi na allelozwiązki zostały porównane z tzw. reakcją SIMR (ang. stress induced morphogenic response), a także skorelowane z modyfikacją równowagi hormonalnej i czynnikami wpływającymi na strukturę ścian komórkowych. Podjęto także problem zależności pomiędzy oddziaływaniami allelopatycznymi a wrażliwością roślin na inne stresy biotyczne i abiotyczne.

EN

Allelopathy phenomenon describes mostly negative interactions between plants mediated by specific chemicals released into environment. Inhibition of growth of various organs, and delay or restriction of seed germination are most frequently observed effects of allelopathic interactions. At times, allelochemicals subjected in low concentration may also lead to hormesis (stimulation of seed germination or plant growth). Allelochemicals often induce oxidative stress, manifested as an increase in ROS production, which not always correlates with enhancement of cellular antioxidant systems, although in most cases there are observed significant changes in the activity of ROS modulating enzymes: catalase, superoxide dismutase and enzymes of Halliwell-Asada cycle, accompanied by modification in the level of low molecular antioxidants ascorbate and glutathione. In view of large differences in plant sensitivity to allelochemicals, and a wide range of concentration of already tested compounds, it is hardly to believe that induction of oxidative stress is an uniform response to allelopathy stress. In this work, there are described selected examples of various allelochamicals or extracts from allelopathic plants known to induce oxidative stress in acceptor organisms. Accumulation of ROS and modification of growth and/or development of organs of acceptor plants induced by allelochemicals are correlated with "stress induced morphogenic response" (SIMR), modification of phytohormonal balance and factors crucial for cell wall formation. Additionally, the relationship between allelopathic interaction and plant sensitivity to other biotic and abiotic stresses is discussed.

• Journal: Kosmos
• Year: 2014
• Volume: 63
• Issue: 1
• Pages: 95-106

Dates

published

2014

Contributors

author

Urszula Krasuska

• Katedra Fizjologii Roślin Wydział Rolnictwa i Biologii Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, Polska

author

Paweł Staszek

• Katedra Fizjologii Roślin Wydział Rolnictwa i Biologii Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, Polska

author

Anna Antosik

• Katedra Fizjologii Roślin Wydział Rolnictwa i Biologii Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, Polska

author

Agnieszka Gniazdowska

References

• Apel K., Hirt H., 2004. Reactive oxygen species: metabolism, oxidative stress and signal transduction. Annu. Rev. Plant. Biol. 55, 373-399.
• Bai R., Ma F., Liang D., Zhao X., 2009. Phthalic acid induces oxidative stress and alters the activity of some antioxidant enzymes in roots of malus prunifolia. J. Chem. Ecol. 35, 488-494.
• Bais H.P., Vepachedu R., Gilroy S., Callaway R.M., Vivanco J.M., 2003. Allelopathy and exotic plant invasion: from molecules and genes to species interactions. Science 301, 1377-1380.
• Bartosz G., 2006. Druga twarz tlenu. Wolne rodniki w przyrodzie. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa.
• Bogatek R., Gniazdowska A., 2007. ROS and phytohormones in plant-plant allelopathic interaction. Plant Sign. Behav. 2, 317-318.
• Bubna G. A., Lima R. B., Zanardo D. Y. L., Santos dos W. D., Ferrarese M. L. L., Ferrarese-Filho O., 2011.Exogenous caffeic acid inhibits the growth and enhances the lignification of the roots of soybean (Glycine max). J. Plant Physiol. 168, 1627-1633.
• Chobot V., Hubner C., Trettenhahn G., Hadacek F., 2009. (±)-Catechin: Chemical Weapon, Antioxidant, or Stress Regulator ? J. Chem. Ecol. 35, 980-996.
• Dąbrowski S., Głowacki S., Macioszek V. K, Kononowicz A., 2009. Reaktywne formy tlenu w odpowiedzi obronnej roślin na grzyby nekrotroficzne. Post. Biol. Kom. 36, 745-754.
• Ding J., Sun Y, Xiao C. L., Shi K., Zhou Y. H., Yu J. Q., 2007. Physiological basis of different allelopathic reactions of cucumber and figleaf gourd plants to cinnamic acid. J. Exp. Bot. 58, 3765-3773.
• Duke S. O., Blair A. C., Dayan F. E., Johnson R. D., Meepagala K. M., Cook D., Bajsa J., 2009. Is (±)-catechin a novel weapon of spotted knapweed (Centaurea stoebe)? J. Chem. Ecol. 35, 141-153.
• Gapper C., Dolan L., 2006. Control of plant development by reactive oxygen species. Plant Physiol. 141, 341-345.
• Gniazdowska A., 2005. Oddziaływania allelopatyczne- 'nowa broń' roślin inwazyjnych. Kosmos 54, 221-226.
• Gniazdowska A., 2007. Biotechnologia szansą dla zastosowania allelopatii jako alternatywnej metody zwalczania chwastów. Biotechnologia 2, 42-53.
• Gniazdowska A., 2008. Czy oddziaływania allelopatyczne to nowa broń roślin inwazyjnych. Kontrowersje wokół badań dotyczących roli katechiny w inwazji Centaurea maculosa. Kosmos 57, 39-41.
• Gniazdowska A., Bogatek R., 2005. Allelopathic interaction between plants. Multi site action of allelochemicals. Acta Physiol. Plant. 27, 395-408.
• Gniazdowska A., Oracz K., Bogatek R., 2004. Allelopatia - nowe interpretacje oddziaływań pomiędzy roślinami. Kosmos 53, 207-218.
• Golisz A., Sugano M., Hiradate S., Fujii Y., 2011. Microarray analysis of Arabidopsis plants in response to allelochemical L-DOPA. Planta 233, 231-240.
• Gong M., Chen B., Li Z.G., Guo L. H., 2001. Heat-shock-induced cross adaptation to heat, chilling, drought and salt stress in maize seedlings and involvement of H2O2. J. Plant. Physiol. 158, 1125-1130.
• Graña E., Sotelo T., Díaz-Tielas C., Krasuska U., Bogatek R., Reigosa M. J., Sánchez-Moreiras A. M., 2013. Citral induces auxin and ethylene-mediated malformations and arrests cell division in Arabidopsis thaliana roots. J. Chem. Ecol. 39, 271-282.
• Hara M., Yatsuzuka Y., Tabata K., Kuboi T., 2010. Exogenously applied isothiocyanates enhance glutatione S-transferase expression in Arabidopsis but act as herbicides at high er concentrations. J. Plant Physiol. 167, 643-649.
• Hong Y. Hu H.-Y., Li F.-M., 2008. Responses of enzymatic antioxidants and non-enzymatic antioxidants in the cyanobacterium Microcystis aeruginosa to the allelochemical ethyl 2-methyl acetoacetate (EMA) isolated from reed (Phragmites communis). J. Plant Physiol. 165, 1264-1273.
• Jasicka-Misiak I., 2009. Allelopatyczne właściwości metabolitów wtórnych roślin uprawnych. Wiad. Chem. 63, 39-61.
• Jezierska-Domaradzka A., 2007. Allelopatyczny potencjał roślin jako możliwość ograniczania zachwaszczenia upraw rolniczych. Studia i Raporty IUNG, PIB 8, 22-28.
• Kacperska A., 2012. Reakcje roślin na stresowe czynniki środowiska. Odpowiedzi na czynniki abiotyczne. [W:] Fizjologia roślin. Kopcewicz J., Lewak S. (red.). PWN, Warszawa, 634-708.
• Koperska M., 2007. Allelopatia w stosunkach między roślinami uprawnymi i chwastami. Przemysł Fitofarmaceutyczny w Świecie 4, 1-29.
• Krasuska U. Gniazdowska A., Bogatek R., 2011. Rola ROS w fizjologii nasion. Kosmos 60, 113-128.
• Lara-Nuñez A., Romero-Romero T., Ventura J. L., Blancas V., Anaya A. L., Cruz-Ortega R., 2006. Allelochemical stress causes inhibition of growth and oxidative damage in Lycopersicon esculentum Mill. Plant Cell Environ. 29, 2009-2016.
• Leszczyńska D., Grabiński J., 2004. Kiełkowanie zbóż w układach mieszanych - aspekt allelopatyczny. Ann. UMCS 59, 1977-1984.
• Li X., Gruber M. Y., Hegedus D. D., Lydiate D. J., Gao M.-J., 2011. Effects of a coumarin derivative, 4-methylubelliferone, on seed germination and seedling establishment in Arabidopsis. J. Chem. Ecol. 37, 880-890.
• Lipińska H., 2006. Kiełkowanie nasion i wzrost siewek wybranych gatunków traw w warunkach oddziaływań blastokolin kiełkujących nasion traw. Acta Agrobot. 59, 253-262.
• Lipińska H., Harkot W., 2007. Allelopatia w zbiorowiskach trawiastych. Post. Nauk Rol. 59, 49-96.
• Liszkay A., van der Zalm E., Schopfer P., 2004. Production of reactive oxygen intermediates (O2â-, H2O2 and âOH) by maize roots and their role in wall loosening and elongation growth. Plant Physiol. 136, 1-10.
• Małecka A., Tomaszewska B., 2005. Reaktywne formy tlenu w komórkach roślinnych i enzymatyczne systemy obronne. Post. Biol. Kom. 32, 311-325.
• Marino D., Dunand C., Puppo A., Pauly N., 2012. A burst of plant NADPH oxidases. Trends Plant Sci. 17, 9-15.
• Miller G., Shulaev V., Mittler R., 2008. Reactive oxygen signaling and abiotic stress. Physiol. Plant. 133, 481-489.
• Mittler R., 2002. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance. Trends Plant. Sci. 7, 405-410.
• Mylona P. V., Polidoros A. N., Scandalios J. G., 2007. Antioxidant gene responses to ROS-generating xenobiotics in developing and germinated scutella of maize. J. Exp. Bot. 58, 1301-1312.
• Nowicka B., Kruk J., 2013. Reaktywne formy tlenu w roślinach - więcej niż trucizna. Kosmos 62, 583-596.
• Olko A., Kujawska M., 2011. Podwójna rola H2O2 w odpowiedzi roślin na działanie warunków stresowych. Kosmos 60, 161-171.
• Oracz K., Bailly C., Gniazdowska A., Come D., Corbineau F., Bogatek R., 2007. Induction of oxidative stress by sunflower phytotoxins in germinating mustard seeds. J. Chem. Ecol. 33, 251-264.
• Oracz K., Voegele A., Tarkowska D., Jacquemoud D., Turečková V., Urbanová T., Strnad M., Śliwińska E., Leubner-Metzger G., 2012. Myrigalone a inhibits Lepidium sativum seed germination by interference with gibberellin metabolism and apoplastic superoxide production required for embryo extension growth and endosperm rupture. Plant Cell Physiol. 53, 81-95.
• Perez F. J., Lira W., 2005. Possible role of catalse in post-dormancy bud break in grapevines. J. Plant Physiol. 162, 301-308.
• Perez F., Vergara R., Rubio S., 2008. H2O2 is involved in the dormancy-breaking effect of hydrogen cyanamide in grapevine buds. Plant Growth Regul. 55, 149-155.
• Pergo E. M., Ishii-Iwamoto E. L., 2011. Changes in energy metabolism and antioxidant defense systems during seed germination of the weed species Ipomoea triloba L. and the responses to allelochemicals. J. Chem. Ecol. 37, 500-513.
• Potters G., Pasternak T. P., Guisez Y., Palme K. J., Jansen M. A. K., 2007. Stress-induced morphogenic responses: growingout of trouble ? Trends Plant Sci. 12, 98-105.
• Potters G., Pasternak T. P., Guisez Y., Jansen M. A. K., 2009. Different stresses, similar morphogenic responses: integrating a plethora of pathways. Plant Cell Environ. 32, 158-169.
• Prithiviraj B., Perry L. G., Badri D. V., Vivanco J. M., 2007. Chemical facilitation and induced pathogen resistance mediated by a root-secreted phytotoxin. New Phytol. 173, 852-860.
• Romero-Romero T., Sánchez-Nieto S., San Juan-Badillo A., Anaya A. L., Cruz-Ortega R., 2005. Comparative effects of allelochemical and water stress in roots of Lycopersicon esculentum Mill. (Solanaceae). Plant Sci. 168, 1059-1066.
• Rudrappa T., Bonsall J., Gallagher J. L., Seliskar D. M., Bais H. P., 2007. Root-secreted allelochemical in the noxious weed Phragmites australis deploys a reactive oxygen species response and microtubule assembly disruption to execute rhizotoxicity. J. Chem. Ecol. 33, 1898-1918.
• Sánchez-Moreiras A. M., Reigosa M. J., 2005. Whole plant response of lettuce after root exposure to BOA (2(3H)-Benzoxazolinone). J. Chem. Ecol. 31, 2689-2703.
• Santos dos W. D., Ferrarese M. L. L., Finger A., Teixeira A. C. N., Ferrarese-Filho O., 2004. Lignification and related ezymes in glycine max root growth-inhibition by ferulic acid. J. Chem. Ecol. 30, 1203-1211.
• Santos dos W. D., Ferrarese M. L. L., Nakamura C. V., Mourao K. S. M., Mangolin C. A., Ferrarese-Filho O., 2008. Soybean (Glycine max) root lignifications induced by ferulic acid. The possible mode of action. J. Chem. Ecol. 34, 1230-1241.
• Schopfer P., 1996. Hydrogen peroxide-mediated cell-wall stiffening in vitro in maize coleoptiles. Planta 199, 43-49.
• Schopfer P., Liszaky A., Bechtold M., Frahry G., Wagner A., 2002. Evidence that hydroxyl radicals mediate auxin-induced extension growth. Planta 214, 821-828.
• Siegień I., Bosa K., Trocka A., Bogatek R., Gniazdowska A., 2008. Potencjał allelopatyczny słonecznika. Post. Nauk Rol. 6, 55-71.
• Singh H. P., Kaur S., Mittal S., Batish D. R., Kohli R. K., 2009. Essential oil of Artemisia scoparia inhibits plant growth by generating reactive oxygen species and causing oxidative damage. J. Chem. Ecol. 35, 154-162.
• Soares A. R., Ferrarese M. L. L., Siqueira R. C., Bohm F. M. L. Z., Ferrarese-Filho O., 2007. L-dopa increases lignifications associated with glycine max root growth-inhibition. J. Chem Ecol. 33, 265-275.
• Sołtys D., Dębska K., Bogatek R., Gniazdowska A., 2010a. Autotoksyczność roślin jako przykład oddziaływań allelopatycznych. Kosmos 59, 551-566.
• Sołtys D., Gniazdowska A., Bogatek R., 2010b. Sorgoleon - główny związek warunkujący potencjał allelopatyczny sorga (Sorghum sp.). Kosmos 59, 567-580.
• Soltys D., Rudzińska A., Kurek W., Gniazdowska A., Śliwińska E., Bogatek R., 2011. Cyanamide mode of action during inhibition of onion (Allium cepa L.) root growth involves disturbances in cell division and cytoskeleton formation. Planta 234, 609-621.
• Soltys D., Rudzińska-Langwald A., Wiśniewska A., Gniazdowska A., Bogatek R., 2012. Inhibition of tomato (Solanum lycopersicum L.) root growth by cyanamide is due to altered cell division, phytohormone balance and expansin gene expression. Planta 236, 1629-1638.
• Soltys D., Gniazdowska A., Bogatek R., 2013. Inhibition of tomato (Solanum lycopersicum L.) root growth by cyanamide is not always accompanied with enhancement of ROS production. Plant Sign. Behav. 8, e23994.
• Szymańska R., Strzałka K., 2010. Reaktywne formy tlenu w roślinach - powstawanie, dezaktywacja i rola w przekazywaniu sygnału. Post. Biochem. 56, 182-190.
• Voegele A., Graeber K., Oracz K., Tarkowská D., Jacquemoud D., Turečkowá V., Urbanová T., Strnad M., Leubner-Metzger G., 2012. Embryo growth, testa permeability, and endosperm weakening are major targets for the environmentally regulated inhibition of Lepidium sativum seed germination by myrigalone. A. J. Exp. Bot. 63, 5337-5350.
• Wójcik-Wójtkowiak D., Politycka B. Weyman-Kaczmarkowa W., 1998. Allelopatia. Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu. Poznań.
• Ye S. F., Yu J. Q., Peng Y. H., Zheng J. H., Zou L. Y., 2004. Incidence of Fusarium wilt in Cucumis sativus L. is promoted by cinnamic acid, an autotoxin in root exudates. Plant Soil 263, 143-150.
• Ye S. F., Zhou Y. H., Sun Y., Zou L. Y., Yu J. Q., 2006. Cinnamic acid causes oxidative stress in cucumber roots, and promotes incidence of Fusarium wilt. Environ. Exp. Bot. 56, 255-262.
• Yu J. Q., Ye S. F., Zhang M. F., Hu W. H., 2003. Effects of root exudates, aqueous root extracts of cucumber (Cucumis sativus L.) and allelochemicals on photosynthesis and antioxidant enzymes in cucumber. Biochem. Syst. Ecol. 31, 129-139.
• Zeng R. S., Luo S. M., Shi Y. H., Shi M. B., Tu C. Y., 2001. Physiological and biochemical mechanism of allelopathy of secalonic acid F on higher plants. Agron. J. 93, 72-79.
• Zhang S., Zhang B., Xing K., Zhang X., Tian X., Dai W., 2010. Inhibitory effects of golden thread (Coptis chinensis) and berberine on Microcystis aeruginosa. Water Sci. Technol. 61, 763-769.
• Zhang S., Zhang B., Dai W., Zhang X., 2011. Oxidative damage and antioxidant responses in Microcystis aeruginosa exposed to the allelochemical berberine isolated from golden thread. J. Plant Physiol. 168, 639-643.
• Zunino M. P., Zygadlo J. A., 2004. Effect of monoterpenes on lipid peroxidation in maize. Planta 219, 303-309.